倪寶玉， 郭鵬杰， 薛彥卓

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著氣候變暖，極地冰蓋逐漸融化，極地和冰區(qū)的活動(dòng)越來越引起人們的關(guān)注。極地破冰船在北極航道引航、極地資源開發(fā)、兩極科考等方面都承擔(dān)著難以替代的重要作用。為此，研究人員一直致力于提升破冰船在惡劣冰況中的破冰能力和運(yùn)動(dòng)性能[1]。除了優(yōu)化破冰船體線型，增加輔助破冰系統(tǒng)也是提升破冰船破冰能力的有效手段之一。目前極地破冰船較為流行的輔助破冰系統(tǒng)包括快速傾斜系統(tǒng)、沖水系統(tǒng)、氣泡輔助破冰系統(tǒng)等[2]，其中氣泡輔助破冰系統(tǒng)是目前成功應(yīng)用于美、俄、加等國包含核動(dòng)力破冰船的技術(shù)之一[3]。

氣泡最早應(yīng)用于船舶方面當(dāng)屬氣泡減阻系統(tǒng)，McCormick等[4]進(jìn)行了回轉(zhuǎn)體的氣泡減阻實(shí)驗(yàn)。此后，越來越多的研究者對(duì)此進(jìn)行了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究[5-6]。氣泡減阻系統(tǒng)又可細(xì)分為微氣泡減阻系統(tǒng)和氣層減阻系統(tǒng)[7]。但從本質(zhì)上講，都是借助氣體密度低于水，從而通過噴射氣體降低物體與水之間的摩擦阻力。氣泡輔助破冰系統(tǒng)最早由芬蘭瓦錫蘭集團(tuán)于1967年設(shè)計(jì)[2]，盡管也旨在通過氣水混合流減少船體與冰塊或積雪之間的摩擦，但與氣泡減阻系統(tǒng)需要相對(duì)穩(wěn)定的水氣接口不同，氣泡輔助破冰系統(tǒng)強(qiáng)迫壓縮空氣，通過一系列靠近船底間隔排列著的噴嘴噴出，當(dāng)空氣以氣泡的形式沿船體上浮時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一股強(qiáng)烈的水氣混合激流，形成船體與冰塊之間的潤滑層。

盡管氣泡輔助破冰系統(tǒng)已有應(yīng)用，但是鑒于各種原因，關(guān)于氣泡輔助破冰的相關(guān)研究卻十分少見，我國尚未開展相關(guān)研究。目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)幾乎沒有關(guān)于氣泡輔助破冰的機(jī)理研究和實(shí)驗(yàn)研究，這使得氣泡輔助破冰系統(tǒng)與海冰相互作用機(jī)理尚不完全明了。例如，盡管氣水混合物可以減少船體與冰塊或積雪的摩擦，但氣泡如何從船艏及船舷噴出上浮，氣泡、水、海冰如何相互作用而導(dǎo)致海冰加速碎裂等機(jī)理問題仍有待進(jìn)一步揭示。為此，本文通過設(shè)計(jì)船模和氣泡輔助破冰系統(tǒng)模型在小型冰水槽中進(jìn)行一系列機(jī)理實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)氣泡輔助破冰系統(tǒng)開啟前后船模破冰模式和航行阻力的變化，并基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，分析氣泡輔助破冰系統(tǒng)與海冰相互作用機(jī)理。這里需要說明的是，盡管本文實(shí)驗(yàn)所采用的小尺度船模由原型船縮尺得到，但氣泡輔助系統(tǒng)并不是縮比得到的，所以本文的實(shí)驗(yàn)研究是機(jī)理實(shí)驗(yàn)而非縮比實(shí)驗(yàn)。這一方面是由于氣泡輔助破冰系統(tǒng)我國并無原型數(shù)據(jù)可參照，另一方面我國在此方面尚無技術(shù)儲(chǔ)備，此階段進(jìn)行機(jī)理實(shí)驗(yàn)掌握氣泡輔助破冰機(jī)理更重要。故本文旨在機(jī)理探討，關(guān)注氣泡與冰層破壞的耦合關(guān)系，暫不考慮尺度效應(yīng)等問題。

1 機(jī)理實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)施

此次實(shí)驗(yàn)是依托哈爾濱工程大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室完成的。實(shí)驗(yàn)室低溫區(qū)域面積 22 m2，用于進(jìn)行機(jī)理實(shí)驗(yàn)的小型冰水槽長3 m、寬 1.5 m、深0.9 m，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)主要設(shè)備包括壓縮機(jī)組、冷風(fēng)機(jī)，并通過特別設(shè)計(jì)的均壓送風(fēng)頂棚對(duì)低溫冰池室內(nèi)的空氣降溫，可控制制冷量、溫降速度和室內(nèi)風(fēng)速，從而可對(duì)實(shí)驗(yàn)中的制冷溫度在0 ℃～-25 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。實(shí)驗(yàn)冰層在冰水槽內(nèi)直接制備，厚度通過調(diào)節(jié)低溫實(shí)驗(yàn)室溫度控制。機(jī)理實(shí)驗(yàn)所采用淡水冰楊氏模量約為5.83 GPa、泊松比為0.33、密度為900 kg/m3，物理性質(zhì)略不同于海水冰，但仍然可以在冰層的破壞模式、冰載荷特征等關(guān)鍵性問題的模擬上與海冰保持一定的相似性。

圖1 步入式低溫實(shí)驗(yàn)室和小型冰水槽照片F(xiàn)ig.1 Photos of walk-in cold room and ice water tank

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

盡管本文為機(jī)理實(shí)驗(yàn)，為更接近真實(shí)情況，仍選定“雪龍?zhí)枴逼票蜑楸緳C(jī)理實(shí)驗(yàn)的船模原型。對(duì)雪龍?zhí)柎透鶕?jù)幾何相似建立船模，幾何縮比選為1∶200，模型的主要尺寸為總長83.5 cm、垂線間長73.6 cm、型寬11.3 cm、型深6.8 cm、設(shè)計(jì)吃水4.1 cm。

船模內(nèi)部安裝氣泡輔助破冰系統(tǒng)，如前所述，此系統(tǒng)為本文自主設(shè)計(jì)，并無原型數(shù)據(jù)可參考，故不是縮比實(shí)驗(yàn)。從船艉至船艏依次裝配為電源、導(dǎo)線、氣泵、控制氣閥、穩(wěn)壓分流氣瓶、導(dǎo)氣管、單向閥門、氣體發(fā)生頭。在船體舷側(cè)底部開有與導(dǎo)氣管銜接的氣孔，氣孔分布示意圖如圖2所示。氣體離開噴氣孔沿船體向上運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)氣泡膨脹，遂在其流動(dòng)方向上形成一股強(qiáng)烈的氣水混合流。

注：1.船體外殼；2.水面或是冰面；3.噴氣孔，等距離布置在舷側(cè)及船艏靠近船底位置，即舭部附近；4.氣泡。圖2 噴口布置示意Fig.2 Sketch of the arrangement of nozzles

整個(gè)模型設(shè)計(jì)效果圖和實(shí)際制作圖如圖3所示，船模由樹脂材質(zhì)經(jīng)3D打印制作，實(shí)際制作達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

圖3 模型設(shè)計(jì)效果及實(shí)際制作Fig.3 Design visualiser and photo of real product

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

圖4給出了實(shí)驗(yàn)裝置原理圖，可見實(shí)驗(yàn)裝置由船模、實(shí)驗(yàn)冰水槽、2只定滑輪、鋼纜、砝碼和攝影機(jī)等組成。在小型冰水槽的一側(cè)安裝有定滑輪，可實(shí)現(xiàn)由砝碼拖曳船模破冰航行，船模驅(qū)動(dòng)力由砝碼重量承擔(dān)，本文稱之為重力拖曳式驅(qū)動(dòng)裝置。船模、定滑輪與鋼纜均沿水槽寬度中線布置，攝影機(jī)需利用三腳架固定在鋼纜垂向上方，保證高度可以拍攝到左側(cè)起點(diǎn)船艏至右側(cè)池壁完整畫面，并且鏡頭稍向左側(cè)傾斜便于觀察船艏柱位置冰層破壞情況。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.4 Schematics of experimental device

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)將低溫箱由制冷模式調(diào)節(jié)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑M(jìn)入低溫箱，用充電式手鉆在冰面選取3～4個(gè)測(cè)點(diǎn)鉆洞測(cè)量冰層厚度是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。如未達(dá)到，退出低溫箱調(diào)至制冷模式繼續(xù)等待冰層結(jié)冰，之后重復(fù)此操作直至冰層厚度滿足該次實(shí)驗(yàn)要求；

2)冰層厚度滿足要求后，利用電鉆及手鋸在冰水槽左側(cè)切割出船模大小的冰層取出，若是碎冰工況，還需人工將實(shí)驗(yàn)區(qū)域冰層預(yù)切割；將本次實(shí)驗(yàn)所用的模型放入相應(yīng)的開口位置，調(diào)節(jié)壓載令船模至所需吃水；將船模穿過鋼纜并固定，調(diào)試鋼纜與砝碼位置令鋼纜處于緊繃狀態(tài)；

3)啟動(dòng)攝影機(jī)開始錄制，之后釋放砝碼，船模開始運(yùn)動(dòng)，本次實(shí)驗(yàn)開始。模型在砝碼重力驅(qū)動(dòng)下根據(jù)預(yù)定工況運(yùn)動(dòng)，攝影機(jī)快速記錄整個(gè)破冰過程中船體運(yùn)動(dòng)及冰面變化情況；

4)當(dāng)船模停止運(yùn)動(dòng)或者完成預(yù)定航段后，將砝碼取下，關(guān)閉攝影機(jī)，完成此次實(shí)驗(yàn)；

5)在完成該模型在實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)工況下的破冰運(yùn)動(dòng)后，將其從驅(qū)動(dòng)裝置鋼纜的連接上取下，清除水漬并保存到實(shí)驗(yàn)室預(yù)定位置。利用打撈網(wǎng)撈出水槽內(nèi)所有浮冰，并加入等量預(yù)先經(jīng)過降溫的冰水，保證水槽內(nèi)水位基本不變。離開低溫箱，并將低溫箱由實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ秸{(diào)至制冷模式為下一次實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

1.4 實(shí)驗(yàn)工況

從是否有氣泡輸入角度而言，本機(jī)理實(shí)驗(yàn)分為開啟和不開啟氣泡輔助破冰系統(tǒng)2大類，其中前者氣體輸入流量Q依次改變?yōu)?、15 L/min，后者即Q=0；從冰情角度而言，可分為平整冰層與碎冰區(qū)域2大類，其中前者冰厚h依次改變?yōu)?、2.5、3 mm，后者冰厚僅選取h=3 mm；所有組次砝碼重量均選取350 g。共計(jì)實(shí)驗(yàn)12個(gè)組次，各組次下的實(shí)驗(yàn)工況及參數(shù)在表1中列出。

表1 實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)Table 1 Experimental conditions and parameters

2 典型工況結(jié)果分析

本節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)典型工況結(jié)果進(jìn)行分析，首先分別選擇關(guān)閉和開啟氣泡輔助系統(tǒng)的工況，對(duì)比分析是否開啟氣泡輔助系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中開啟氣泡輔助系統(tǒng)選擇Q=15 L/min為例，冰況選擇平整冰層，冰厚統(tǒng)一選取為h=2 mm(即實(shí)驗(yàn)組次1、7)。在此基礎(chǔ)上，探究冰層在有無氣泡2種類型下破壞模式的異同，對(duì)氣泡輔助破冰機(jī)理進(jìn)行分析。

2.1 關(guān)閉氣泡輔助系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)于未開啟氣泡輔助系統(tǒng)的情況，采用攝影儀獲得的圖像，可觀察冰層的破壞軌跡及裂紋擴(kuò)展情況?，F(xiàn)在根據(jù)船模典型位置，逐次分析冰層的破壞情況和破壞模式。

1)船艏區(qū)域。

圖5給出了船艏附近區(qū)域冰層的破壞情況。一方面，可觀測(cè)到船艏附近出現(xiàn)了尺寸較大的環(huán)向裂紋，如圖5中白色環(huán)狀曲線所示。環(huán)狀裂紋最遠(yuǎn)可出現(xiàn)在1/4左右船長處，環(huán)狀裂紋主要是由于傾斜船艏導(dǎo)致海冰發(fā)生彎曲破壞；另一方面，在船頭會(huì)發(fā)現(xiàn)許多尺寸極小的碎冰塊，如圖5中圓圈標(biāo)注所示。這些碎冰塊在船艏柱附近形成了一定程度的堆積，這些極小的浮冰碎塊主要是冰層與船體作用發(fā)生擠壓破壞和屈曲破壞的主要特征。由此可見，冰層在船艏區(qū)域破壞的主要模式是彎曲破壞、擠壓破壞和屈曲破壞等多種模式混合[8]。

圖5 船艏區(qū)域碎冰情況Fig.5 Broken ice around the bow

2)船肩區(qū)域。

當(dāng)船模繼續(xù)向前移動(dòng)時(shí)，從動(dòng)態(tài)影像中，可以觀測(cè)到海冰從船艏區(qū)域到船肩區(qū)域的典型變化如下：一方面，上述的環(huán)狀裂紋會(huì)大面積拓展，船艏區(qū)域向船舷過渡的船肩部位存在明顯的二階裂紋軌跡[9]，該裂紋出現(xiàn)位置恰好與上一時(shí)刻船艏附近冰層發(fā)生擠壓-屈曲破壞的區(qū)域邊界相對(duì)應(yīng)。表明圍繞船體艏柱所產(chǎn)生的環(huán)向裂紋在船體運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生了二次彎曲破壞；另一方面，上一時(shí)刻因船艏擠壓-屈曲破壞所產(chǎn)生的碎冰塊隨著船體的前進(jìn)，在船體肩部附近發(fā)生滑移、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被壓入水下，進(jìn)而漂移向船體兩側(cè)未被破壞的冰蓋下方。

3)舷側(cè)區(qū)域。

圖6給出了運(yùn)動(dòng)過程中某2個(gè)時(shí)刻舷側(cè)附近區(qū)域冰層的破壞情況。一方面，舷側(cè)附近會(huì)形成緊貼舷側(cè)較窄的環(huán)狀裂紋，如圖6中白色環(huán)狀曲線所示，該裂紋逐漸變小，通常到船舯位置就不再明顯；另一方面，航道中的碎冰隨著船體前進(jìn)發(fā)生“滑移-碰撞-翻轉(zhuǎn)等過程”[10]，最終碎冰會(huì)被船體壓入水下漂移至冰層下方或者船體后方的敞水區(qū)域，也有一部分尺寸較大的碎冰塊會(huì)在航道2側(cè)發(fā)生重疊堆積。

圖6 舷側(cè)區(qū)域冰層破壞情況Fig.6 Broken ice around the side shell

2.2 開啟氣泡輔助系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

圖7(a)給出了開啟氣泡輔助破冰系統(tǒng)的情況下冰層破壞情況，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在有氣泡輔助的情況下平整冰層的破壞模式與無氣泡的船模實(shí)驗(yàn)破壞模式相似，同樣是多種破壞模式混合的復(fù)雜進(jìn)程：船艏處出現(xiàn)極小碎冰塊的堆積以及圍繞船體艏柱的環(huán)狀裂紋，船肩部位2次彎曲破壞引起的環(huán)向裂紋，舷側(cè)的圓環(huán)狀裂紋以及翻轉(zhuǎn)堆棧的碎冰等。

圖7 有無氣泡輔助破冰情況下冰層破壞情況Fig.7 The destruction of level ice with and without the air bubbles

為了對(duì)比有無氣泡輔助情況下，圖7(b)給出了相同情況不開啟氣泡輔助破冰系統(tǒng)的情況下冰層破壞情況。對(duì)比可見，開啟氣泡輔助破冰系統(tǒng)后，有以下4點(diǎn)典型變化：1)在冰層底部，會(huì)捕獲大量上升氣泡形成的氣泡腔，如圖7(a)中圓圈標(biāo)注所示；2)環(huán)向裂紋半徑明顯大于未開啟氣泡輔助系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)值；3)水面興波較未開啟氣泡輔助系統(tǒng)的情況更明顯，從船體的側(cè)面流動(dòng)，可以觀察到在靠近船體的位置，會(huì)形成一個(gè)脊?fàn)钏胬^而向遠(yuǎn)離船體方向擴(kuò)散，即由氣泡興起的波浪；4)小塊碎冰被水流帶動(dòng)發(fā)生漂移，遠(yuǎn)離船體至2側(cè)冰層下方。此外，根據(jù)整個(gè)航道運(yùn)動(dòng)時(shí)間計(jì)算，可粗略獲得船模的平均速度，計(jì)算表明在圖7(b)工況中船模平均速度為0.538 m/s，而圖7(a)工況中船模平均速度為0.551 m/s?？梢婇_啟氣泡輔助破冰系統(tǒng)后，整體運(yùn)動(dòng)時(shí)間略有縮短，船模平均運(yùn)動(dòng)速度略有增大，整體阻力有所減低。

2.3 氣泡輔助破冰機(jī)理分析

考慮到冰-水-氣泡-船模多介質(zhì)相互作用耦合問題的復(fù)雜性，本文將根據(jù)機(jī)理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)2個(gè)方面分析。

從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度，如圖8所示，氣泡輔助破冰系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量上浮氣泡，一部分氣泡會(huì)漂浮到冰層下方而形成大量氣泡腔。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)[11]知識(shí)，如圖9所示，當(dāng)沒有氣泡存在時(shí)，水對(duì)冰層的浮力支撐相當(dāng)于彈性基礎(chǔ)，此時(shí)船側(cè)對(duì)于海冰的擠壓相當(dāng)于作用在彈性基礎(chǔ)梁(板)上。對(duì)于具有水的支撐的三維板，根據(jù)模型的平衡條件建立平衡方程：

圖8 氣泡腔形成與分布Fig.8 Bubble cavities formation and distribution

圖9 懸臂梁結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Cantilever beam structure diagram

式中：D為冰面的彎曲剛度；w為冰面撓度；ρ為水的密度；g為重力加速度；q為橫向外載荷。

而當(dāng)氣泡在冰層底部形成了空氣腔后，冰層的部分區(qū)域失去彈性支撐(水的支撐)，處于只有冰的重力和氣體壓力的作用，此時(shí)船側(cè)對(duì)于海冰的擠壓相當(dāng)于作用在懸臂梁(板)上。對(duì)于無水的支撐的三維板，其平衡方程則變?yōu)椋?/p>

通過求解平衡方程即能求得冰面的變形，從而計(jì)算冰面在不同外力作用下的承載能力。在相同軸向擠壓載荷下，懸臂梁(板)破壞區(qū)域較之彈性基礎(chǔ)梁大；或者達(dá)到相同的破壞區(qū)域，懸臂梁(板)模型所需要的軸向擠壓載荷更小。這也給出了圖7中有氣泡時(shí)船舯前側(cè)海冰環(huán)向裂紋半徑明顯大于沒有氣泡時(shí)的原因。

從流體力學(xué)角度，氣體通過舭部氣孔排入水中，沿舷側(cè)形成一股強(qiáng)烈向上的氣水混合流，會(huì)在船體附近形成較大興波，如圖10所示。氣水混合流及其興波將主要起到2方面作用：1)高速氣水混合流和興波將帶走尺寸小的碎冰，令其漂移并遠(yuǎn)離船體至2側(cè)冰層下方，減少小尺寸碎冰對(duì)于船體的摩擦阻力；2)尺寸較大的碎冰會(huì)在水流作用下“漂移-翻轉(zhuǎn)-碰撞”，一些碎冰會(huì)沿舷側(cè)向下滑移，但是此時(shí)船體和碎冰塊之間存在氣水混合流形成的潤滑層，有效地降低大尺寸碎冰對(duì)船體的摩擦阻力，如圖11所示。

圖10 氣泡興波形態(tài)Fig.10 The shape of wave making by bubble flow

圖11 氣泡興波減阻示意Fig.11 Drag reduction diagram of wave making induced by bubble flow

流體與結(jié)構(gòu)2方面機(jī)理是同時(shí)存在并相輔相成的。相對(duì)而言，結(jié)構(gòu)機(jī)理在船舯之前層冰區(qū)域起到更大作用，流體機(jī)理在船舯之后碎冰區(qū)域起到更大作用。這將對(duì)后期噴口位置的布置和設(shè)計(jì)起到很大的指導(dǎo)作用。

3 參數(shù)變化影響研究

本節(jié)對(duì)參數(shù)變化如冰厚、氣體流量、平整冰層及浮冰區(qū)域等進(jìn)行觀測(cè)分析。分析的原則是采用控制變量法，即討論某一變量時(shí)，保持其他變量不變。

3.1 冰厚h

選擇Q=5 L/min，平整冰區(qū)域，依次改變冰厚h為2、2.5和3 mm(即實(shí)驗(yàn)組次4、5、6)。眾所周知，船舶航行冰阻力隨冰厚的增大急劇增加[12-13]，當(dāng)冰厚過大時(shí)，船舶的破冰模式將從連續(xù)式破冰轉(zhuǎn)變?yōu)闆_撞式破冰[14]。在本機(jī)理實(shí)驗(yàn)中，也觀察到類似的現(xiàn)象。當(dāng)冰厚不超過2.5 mm時(shí)，船模可連續(xù)破冰，同等氣體流量下，冰厚越小，平均航行速度越快。而當(dāng)冰厚取3 mm時(shí)，船模則難以通過連續(xù)式破冰法破壞冰層，而是需要采用沖撞式破冰，即拉開船模后退一定距離對(duì)冰層進(jìn)行沖撞，一次未能成功的情況下，再次倒退一段距離繼續(xù)發(fā)起沖撞，直至冰層破裂，航道開辟。該模式下船頭會(huì)翹起，船舶前半部分駛上冰面，然后利用自身重力壓碎冰面，如圖12所示。此時(shí)船艏至船肩位置會(huì)產(chǎn)生半徑較連續(xù)破冰模式下更大的環(huán)向裂紋，因?yàn)榇藭r(shí)海冰以彎曲破壞模式為主。沖撞破冰模式下，除了上述的減阻機(jī)理外，上浮的氣泡還會(huì)帶大量的水漫過破碎的冰層表面，在冰層與船體之間形成流體潤滑層，起到額外減阻作用，如圖12所示。

圖12 沖撞式破冰船艏沖上冰面瞬間Fig.12 The moment of the bow rushing onto the ice

3.2 氣體流量Q

選擇h=2 mm，平整冰區(qū)域，依次改變Q為5和15 L/min(即實(shí)驗(yàn)組次4、7)。通過觀察對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同的氣體流量對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響主要存在以下3個(gè)方面：1)氣體流量大實(shí)驗(yàn)組水面波紋的運(yùn)動(dòng)也比較劇烈，更好的興波能力意味著能更好地沖開浮冰，取得更優(yōu)的清冰效果；2)氣體流量大時(shí)可以顯著觀測(cè)到更多的氣泡滯留在冰層以下并逐漸擴(kuò)散開，在船體周圍形成的氣體空腔體積也更大；3)通過冰層的破壞軌跡可以發(fā)現(xiàn)，氣體流量大的實(shí)驗(yàn)組冰層破壞時(shí)所形成的環(huán)向裂紋半徑明顯大于氣體流量較小實(shí)驗(yàn)組，這與第2點(diǎn)是直接關(guān)聯(lián)的。

3.3 平整冰層與碎冰區(qū)域

選擇h=3 mm，Q=5 L/min，冰面依次選為平整冰層和碎冰區(qū)域(即實(shí)驗(yàn)組次6、11)，如圖13所示，碎冰航道已由人工對(duì)海冰進(jìn)行了預(yù)切割。通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，船模在碎冰航道行駛時(shí)，舷側(cè)船舯以后碎冰塊的運(yùn)動(dòng)模式與平整冰面較為接近，而船艏和肩部區(qū)域浮冰所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)則與平整冰層完全不同。碎冰航道中，船艏和船肩區(qū)域的浮冰大致發(fā)生3種運(yùn)動(dòng)：1)比較碎小的冰塊，受到船體的撞擊獲得動(dòng)能向遠(yuǎn)處漂移或者直接沿著船身滑走；2)中等體積的碎冰，和船頭撞了一下后，被船頭推著走一段距離，直到遇到其他冰塊的干擾或者堆積過高，則會(huì)偏向某一舷側(cè)；上述2個(gè)過程中冰塊未發(fā)生再一次破碎；3)較大的冰塊，會(huì)與船體的碰撞發(fā)生劈裂，再次破碎成更小尺寸的碎冰，一般這樣的冰塊后面還有其他冰塊的擠壓，導(dǎo)致它自身無處可躲，只能硬生生被船頭撞裂。在本文的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，上述3種情況都會(huì)出現(xiàn)，而出現(xiàn)的概率與碎冰的密集度和冰塊大小等都有關(guān)系，不在本文討論范疇。

圖13 碎冰區(qū)域?qū)嶒?yàn)Fig.13 Experiments in broken ice area

此時(shí)，氣泡輔助破冰系統(tǒng)的主要工作機(jī)理是流體角度，即氣水混合流一方面將部分碎冰吹走，同時(shí)在船體和碎冰塊之間形成一層潤滑層，從而有效地降低碎冰對(duì)船體的摩擦阻力。

4 結(jié)論

1)通過機(jī)理實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了開啟氣泡輔助破冰系統(tǒng)后冰層下氣泡腔的形成和海冰環(huán)狀裂紋的擴(kuò)張，從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度闡述了氣泡輔助破冰機(jī)理之一：氣泡腔破壞了海水對(duì)于海冰的彈性支撐，形成了懸臂梁(板)模型，從而可減小破冰阻力；

2)通過機(jī)理實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了開啟氣泡輔助破冰系統(tǒng)后氣水混合流和氣泡興波現(xiàn)象，從流體力學(xué)角度闡述了氣泡輔助破冰機(jī)理之一：氣水混合流和興波吹走了部分小體積碎冰，同時(shí)在船體和碎冰塊之間形成一層潤滑層，從而可減小摩擦阻力即清冰阻力；

3)初步研究了冰層厚度、氣體流量參數(shù)、冰況變化(平整冰和碎冰)等參數(shù)變化對(duì)于船模破冰模式和氣泡輔助破冰的影響。重點(diǎn)分析了冰層厚度較大時(shí)的沖撞式破冰模式以及碎冰區(qū)域中海冰與船體的相互作用過程，以及這2種情況下氣泡輔助破冰系統(tǒng)的主要工作機(jī)理。

在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，下一步一方面將研究氣泡內(nèi)壓、尺寸、噴射速度、水深、流速等具體參數(shù)對(duì)破冰機(jī)理的影響，另一方面有望在室外冰水池進(jìn)行縮比實(shí)驗(yàn)，深入探討相似準(zhǔn)則和比尺效應(yīng)等問題。